JP2000506225A - 工作物を被覆するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 被覆する前にスパッタリングによってエッチングされた、特に高いストレスを有する工作物の上に硬質材料層を付着させるために、低電圧アーク放電で工作物をスパッタリングすることによってエッチングし、続いて、同じ方向から作用させることによって工作物を被覆することが提案される。

Description

【発明の詳細な説明】 工作物を被覆するための方法および装置 この発明は、請求項１のプリアンブルに記載の被覆配置、ならびに請求項14のプ リアンブルに記載の工作物を被覆するための方法に関するものである。 様々な真空処理プロセスにおいては、真空被覆を行う前に工作物表面を浄化する ことが知られている。さらに、工作物はこの浄化段階の前後に所望の温度に加熱 され得る。そのような段階はとりわけ、後に蒸着されるべき層に優れた付着強さ を付与するために、必要である。これは特に、工作物、特に工具が耐摩耗性を備 えた硬質層で被覆されるべき適用例において、重要である。工具、例えばドリル 、スライス、ブローチ、形削り工具等のそのような層は、特に高い機械的ストレ スおよび研磨ストレスに晒される。したがって、基板との極めて優れた接合が、 利用に耐え得る、効率使用の前提となる。そのような工作物に前処理を施す確か な方法としては、電子衝撃による加熱と、イオン・エッチングまたはスパッタ・ エッチングによるエッチングとがある。プラズマ放電からの電子衝撃による加熱 は、例えばDE 33 30 144によって周知のものとなった。プラズマ放電路はま た、例えばアルゴン・イオンのような重い不活性気体イオンを発生させるために も使用される。このプラズマからのイオンは、工作物または基板に向けて促進さ れて、DE 28 23 876に記載されているように、そこでスパッタ・エッチング を行う。スパッタ・エッチングと並んで、さらなる反応性ガスによってプラズマ 放電を行い、工作物を反応化学的にエッチングする方法もまた周知のものである が、ここで、この反応性エッチングとスパッタ・エッチングとを混合することも また可能である。これら全ての前処理工程は、その後の被覆が基板によく接合す るように、工作物の表面を準備することをその目的とする。前述の配置において は、プラズマを発生させるために、低電圧アーク放電が装置の中心軸に配置され 、工作物が一定の距離を置いてこのアークの周りに、円筒状表面に沿って配置さ れる。続いて、熱蒸着またはスパッタによる被覆が行われる。ここで、プロセス の進行によっては、基板のしかるべきバイアスに従って更なるイオン衝撃が被覆 中に発生す るが、これはイオン鍍金という概念で知られている。この配置には、より低い粒 子エネルギーで低電圧アーク放電から大きなイオン流を引き出すことが出来、従 って工作物を慎重に加工することが出来る、という利点がある。いずれにせよ、 均一で再現可能な結果を得るためには、工作物を放電に対して放射状に規定され る区域内に配置せねばならず、かつそれを、通常は中央軸ならびにそれ自体の軸 を中心に回転させねばならない、という欠点がある。さらに、許容され得る円筒 状の加工帯域幅が比較的狭いために、加工可能な工作物の大きさが限定される一 方、より多数の小さな工作物の一回あたりの工程量が限定され、その結果、この 周知の配置の経済性は著しく限定される、という欠点もある。この限定は、加工 室の中央を満たす低電圧アーク放電自体がある一定の広がりを必要とし、そのた め、再現可能な優れた結果を維持するには、工作物を放電から離す必要があるた め、加工室の中央空間の大部分が利用され得ないことに、起因する。 いわゆるダイオード放電を用いるスパッタ配置もまた周知のものである。そのよ うなダイオード放電は、1000ボルトまでの、またそれ以上の高い電圧で行われる 。ダイオード・エッチング装置は、高度の要求を伴う適用例には向かないことが 実証された。達成し得るエッチング率、すなわち効率が悪い一方で、この高電圧 では、微細な基板に欠陥が生じる。したがって、特に三次元の加工を必要とする 工作物、例えば工具等は、容易には処理し得ない。工具は例えば、その仕上げ段 階を経て、種々の精緻な切断端縁を備えており、それらの端縁にそのような放電 が集中すると、例えば過熱や、場合によっては機能端縁の損壊等の制御不可能な 影響が、それらの精緻な端縁および先端に生じ得る。 特許明細書DE 41 25 365には、前述の問題を解決する試みが記載されている 。この開示は、いわゆるアークまたは電弧蒸化によって被覆が行われることを前 提とする。そのような蒸化器によってしっかりと接合する層を形成するためには 、本来の被覆過程の前に、蒸化器自体の電弧が以下のように利用される。すなわ ち、電弧において発生したイオン、特に蒸化ターゲットから発生した金属イオン が、典型的には＞500ボルト、通常は800から1000ボルトの領域の負の加速電圧を 介して、工作物に付着するよりはむしろ飛散するように、工作物に向けて促進さ れる。このエッチング過程の後、蒸化器はさらに被覆源として使用される。明細 書には、アーク被覆技術を用いたこの通常の工程では、アーク蒸化技術によって しっかりと接合する層を形成するために、そのような高い電圧が必要である、と 記されている。過熱または、工作物の不均一な質量分布もしくは微細な幾何学に おけるエッチングの問題を避け得るために、電弧プラズマの他に、より高い電圧 の補助放電路をさらに使用することがこの明細書では提案されている。この補助 放電路は補助的な電離を引き起こし、アーク蒸化器電弧に連結される。さらなる 直流源によって、プラズマからイオンが抽出され、工作物に向けて促進されるが 、これらのイオンが所望のエッチング過程を行う。その他に、別の電源によって 作動する、さらなる放電路を備える別の陽極が設けられ、効果を高める。さらに 、アーク蒸化器はエッチング過程の間、オリフィスが閉じられた状態で作動する ので、この過程の間、基板は蒸化器の直接的作用から保護され、基板におけるい わゆる液滴が回避される。ここに記された配置の欠点は、同様に高い電圧が必要 とされ、かつ、達成可能な加工均質性を保つことが限られた範囲内においてのみ 可能である、という点である。さらに、様々なプラズマ路が結合されるため、操 作条件を調整する可能性が限られてくる。その他、この配置は複雑であるため、 実用化および操作に費用がかかり、生産用装置の経済性という観点からして不利 である。さらに、1000ボルト以上の高い電圧を使用すると、さらなる安全対策費 用が必要となる。 従来技術によって知られているような装置は、より優れた加工品質を維持しなが ら大量に加工するには、条件付きでのみ適していると言える。1000mmまで、およ びそれ以上の被覆幅を許容する規模の装置は、可能であるとしても、様々な問題 点を抱えてのみ実現可能である。 この発明の課題は、従来技術の欠点を除去することであり、特に、多数の工作物 または不均一な質量分布を有する個々の大きな工作物の微細構造を、所望の均一 性を維持しながら、要求される高経済性を有する加工率で、しっかりとかたより なく被覆することができる、被覆配置を提供し、かつ方法を提案することである 。 これは、始めに述べられたような加工配置を前提とし、それを請求項１の特徴に 従って形成し、かつ、請求項14の特徴による被覆方法によって達成される。 それによると、被覆されるべき工作物の表面は、高温陰極低電圧アーク放電配置 として形成されたプラズマ供給源の傍らを、その放電路の直線状の広がりを横切 るように搬送される。その際、工作物には負の電圧がかかっているので、アーク 放電から抽出されたイオンが工作物に向けて促進され、スパッタ・エッチングが 行われ、続いて、低電圧アーク放電と同じ側からの働きかけにより、工作物は被 覆される。 この発明の被覆配置の好ましい実施例は、従属請求項２から13に記載され、この 方法の好ましい実施例は請求項14から17に記載される。 高温陰極低電圧アーク放電配置がイオン供給源として用いられるエッチングが特 に有利なのは、そのようなアーク放電装置は、＜200ボルトの放電電圧で作動可 能であり、高電圧エッチングの欠点が生じないためである。低電圧アーク放電エ ッチングは従って、工作物に極めて優しく、より大きな工作物における例えば切 断端縁等の微細構造が、温度による過負荷によっても、またより高いイオン・エ ネルギー衝撃による端縁の切削によっても、損なわれることがない。30から200 ボルト領域のDC、好ましくは30から120ボルトの比較的低めの許容放電電圧であ っても、約20、30から約200、300アンペアまでの、好ましくは100から300アンペ アまでの極めて高めの放電電流が可能である。これは、この放電形態によると、 よりわずかなエネルギーで極めて高いイオン流の利用が可能であることを意味す る。したがって、基板における加速電圧が比較的低くとも、高いイオン流が利用 可能であるため、高いエッチング率が達成可能であり、しかもこれが、既に述べ られたように、工作物を慎重に扱いながらも可能である。基板における抽出電圧 ないし加速電圧は、−50ボルトから−300ボルトの領域、好ましくは− 100ボルトから−200ボルトの領域である。工作物に引き寄せられたイオン流はこ こでは５から20アンペアの値に達し、好ましくは８から16アンペアの領域で加工 される。単数または複数の工作物の加工幅はここでは1000mmまで可能である。し かしながら、装置に幾分費用をかければ、より大きな加工幅も可能である。達成 可能な数値は、アーク放電の操作値の他に、工作物に対するその幾何学的配置に も依存し、また選択された動作圧力にも依存する。典型的な作動圧力は10^-3mbar の領域であり、アーク放電の作動には処理ガスとして不活性気体が、好ましくは 、例えばアルゴン等のような比較的重い不活性気体が使用される。 これまで低電圧アーク放電配置は回転対称で操作されていた。すなわち、アーク 放電が中央に配置され、中央軸内にあるこのアーク放電の周りを工作物が回転し ていた。これには、アーク放電が中央に配置された回転対称性配置によると、エ ッチング過程の均一性および速度に関して最善の結果を得ることができる、とい う前提があった。しかしながら今や驚くべきことに、この発明による非対称性の 配置の方が、上述の回転対称性配置より総じて本質的により有利であることがわ かった。アーク放電を中央軸に備えた回転対称性配置においてはすなわち、大容 量の工作物を中央に向けて格納するにはアーク放電自体による制限があった。さ らにそのような工作物は、エッチング過程の後、エッチングされた工作物が室壁 に配置された被覆源によって直ちに被覆され得るように、中央軸の周りを回転す る他に、さらに自転しなければならない。このような方法によってのみ、エッチ ング過程および被覆過程における優れて均一な分布が十分に可能となる。また、 回転対称性配置においては、工作物に対して一方の側面からのみアーク放電が露 出される非対称性の配置における場合より、工作物のアーク放電からの距離がよ り決定的な意味を持つ。この発明の配置によると、大容量の工作物をさらに回転 させることなくアーク放電の前を搬送することが可能であり、これによって、加 工室の大きさを合理的な範囲内に留めることが可能である一方、より重い工作物 の取り扱いを実質的に簡略化することができる。これは生産用装置においては、 その経済性に大きな影響をもたらす。この発明による配置は大容量の工作物にお いてのみ利点を有するものではなく、大容量の工作物の代わりに、相当数のより 小さな工作物を装填し、同時に処理することも可能である。この発明による配置 のさらなる利点は、エッチング装置をもはや加工室の一部として一体的に形成す る必要がないという点である。このエッチング装置は依然として加工室壁の領域 内に配置されねばならないが、例えば細長く、より小さな放電室を介してその外 壁に装着可能であり、その結果、加工室の形態に関しては、実質的により大きな 自由が認められる。アーク放電と工作物の表面との間の間隔に関しても、この配 置は本質的にあまり問題ないことが確認された。したがって、特に大きな工作物 に見られるような、より大きな間隔の変動があっても、再現可能な結果を得るこ とができる。総じてアーク放電から抽出され得るイオン流は、従来と同様、有利 な高い数値を示し、工作物に集約されて、所望の高いエッチング率を達成する。 低電圧アーク放電またはプラズマ供給源を、加工室または処理区域から完全に分 離することによってまた、この供給源の形態により大きな自由を与えることがで き、その結果、放電装置が装置の中央軸にある一体型の回転対称性配置における 場合より、供給源の構造を実質的により柔軟に、工程の諸要件に適合させること ができる。 エッチング過程の後、しっかりと接合する層を付着させるには、同じ側面から作 用するように、加工室壁の領域にもう一つの、または複数のさらなる蒸化供給源 が設けられる。特に適しているのは、細長い低電圧アーク放電と同様に細長い領 域にわたって、傍らを通る工作物を被覆するように配置可能な供給源である。こ れには、例えばスパッタ供給源またはアーク蒸化器供給源等が適している。いわ ゆる陰極放電蒸化器またはアーク蒸化器が特に適していることが分かったが、こ れは、これらの蒸化器と、その前のエッチング段階とによって、特に強固な層の 形成が極めて効率的に可能であるからである。この配置によって得られたテスト 工具は、前段階において高電圧エッチングが行なわれた周知のアーク蒸化層より も、明らかに優れた、再現可能な数値の耐用性能を示した。例えば、スライス等 の切断工具においては、耐用年数が少なくとも1.5倍改善された。極めて有利な ケースでは、従来の技術に対して複数倍も改善された。さらに、極めて均一なエ ッチング分布が達成されたが、これは部分的幾何学には実質的に、より依存せず 、 かつ一工程量につき極めて様々な基板の混合を可能にする。その他、提案された 配置においては、不活性気体の他に、化学的に活性の気体を用いても容易にプロ セスを実現することが可能である。これは、低電圧アーク放電が、例えばN₂やH₂ 等の活性ガスを極めてよく活性化するからである。絶縁表面を介して発生する望 ましくない寄生放電は、低電圧アーク放電によって容易に抑制される。有利なこ とに、低電圧アーク放電は、高温の陰極を有し、かつ、小さな開口部を通しての み放電室または加工室と接続された、独立した陰極室または電離室によって作動 する。気体は、有利なことに、この陰極室を介して注入され、したがってプロセ ス室およびそれに関連する被覆供給源に対しては一定の気体分離が成立し、その 結果、例えば被覆供給源における対象物の汚染の問題は軽減または回避される。 この配置によってまた、本来の被覆段階の際、工作物において様々なプロセスガ スを活性化することが可能となる。この際、工作物において負の電圧、場合によ っては正の電圧を相応に選択することによって、所望の操作条件を選択的に調整 することが可能である。 必要なエッチング深さ、または被覆厚さ、ならびに均一で再現可能な処理を達成 するためには、通常、工作物を一つのプロセス段階につき複数回、供給源の前を 通過させねばならないので、工作物が中央軸の周りを回転可能であり、かつ供給 源は外側から内側に向けて同様に作用するように室壁の領域内に配置されるよう に、装置を形成するのが有利である。極めて大きな工作物は、例えばこのように して中央軸内を回転するように配置され、加工され得る。しかしながらこの空間 領域にはまた、多数のより小さな、しかも様々な大きさの工作物さえも保持具に よって配置可能であり、この中央軸を中心に回転しながら供給源の傍らを搬送さ れ、均一な結果をもたらすことが可能である。そのような配置は、簡単かつコン パクトに実現可能であり、より高い効率の操作を可能にする。 プラズマ供給源または低電圧アーク放電は、搬送方向を横断するように、加工室 壁の領域内に直接配置されるのが有利である。低電圧アーク放電装置は例えば、 好ましくはボックス状の付属装置に、ここでは放電室として、配置され得る。こ の放電室は、低電圧アークが単数または複数の工作物に、または加工されるべき 区域に向けて直接晒されるように、放電に沿って、スリット状の開口部を介して 加工室と接続される。低電圧アーク放電は、電気加熱された、または熱電子放出 の陰極と、それから距離を置いた陽極とによって発生するが、陰極に対して、陽 極に相応の放電電圧がかけられることによってアーク電流が引き出される。この 放電室にはさらに、ガス流入配置が合流し、アーク放電に処理ガスを供給する。 この配置は、例えばアルゴン等の不活性気体によって作動するのが好ましいが、 既に述べられたように、反応性ガスもまた混合可能である。放電路は、処理区域 幅にに対して少なくとも80％の広がりを有し、かつ、所望の処理分布または均一 性が達成可能なように、処理区域に対して配置されるべきである。必要なスパッ タ・エッチングを工作物において行うために、この工作物または工作物保持具は 、アーク放電配置に対して負の電圧で動かされる。例えば被覆過程の間の反応性 プロセス等における場合のように、この配置はそのような電圧なしでも、あるい は正の電圧、すなわち電子衝撃によっても、プロセスに応じて作動する。ここで はまた、純粋なDC電圧の他に、例えば中間または高周波のAC交流電圧を用いるこ とも可能であり、DCとACとの重ね合わせもまた可能である。DC電圧はまたパルス 作動可能であり、また、その一部のみがパルス作動しながら重ね合わされる場合 もあり得る。そのような供給によって、特定の反応プロセスの制御が可能である 。とりわけ、誘電性区域が装置および工作物表面に存在する場合、または形成さ れる場合にはまた、望ましくない寄生電弧の発生を妨げることができる。 加工区域における分布要件は、一方では放電の長さによって、他方ではその位置 によって調整可能である。分布調整に関するもう一つのパラメータは、アーク放 電に沿ったプラズマ密度の分布である。これには例えば、放電室の領域に配置さ れるさらなる磁場の助けによって影響を与えることができる。そのような場合に は、放電室にそって配置された永久磁石によって調整および補正するのが望まし い。しかしながら、分布要件に応じて放電路に沿って配置され、かつそれぞれに 独立して供給を受ける、さらなる陽極によって放電路が作動する場合、より好ま しい結果が得られる。そのような配置によって、分布曲線を調整するある程度の 可能性さえも得られる。放電路に沿った複数個の陽極を備える補正磁石を使用し ない配置は、好ましい実施形態である。しかしながら、この好ましい実施形態と 組み合わせて、補正のためにさらに2、３の磁石を用いることもまた可能である 。追加陽極は、個々の陰極と共に容易に作動し得る。しかしながら、この電気回 路を最適な状態で絶縁するためには、各陽極につきそれに相対する放出陰極を設 けるのが有利であり、これによって、さらに良好な調整の可能性が保証される。 小さな開口部を介して放電室と接続される熱電子放出陰極が、独自の小さな陰極 室内に配置されるのが好ましい。不活性気体注入配置は好ましくはこの陰極室に 合流する。必要とあれば、この気体注入配置を介して活性ガスもまた注入され得 る。しかしながら、活性ガスは好ましくは陰極室内へではなく、例えば放電室内 に注入されるのがよい。電子は陰極室の開口部を介して、距離を置いた単数また は複数の陽極に引き寄せられ、その際、電離気体は少なくとも部分的には、同様 にこの開口部から排気される。加工室は、工作物がその周りを回転する中央軸が 垂直に配置されるように、形成されるのが望ましい。ここでは、陰極または陰極 室は好ましくは陽極の上部に配置される。陰極室においては、排気開口部は下方 に向けて配置されるのが望ましい。この配置は、システム全体の処理を簡略化し 、かつ粒子形成によって生じ得る諸問題を回避する助けとなる。 加工室は、低電圧アーク放電配置の他に少なくとももう一つの供給源を備え、こ の供給源はアーク蒸化器であるのが望ましい。これらの供給源は、同様に外側か ら中央軸または加工区域の方向に向けて放射状に作用する。低電圧アーク放電が 搬送方向において被覆供給源の手前に配置されると有利である。アーク蒸化器は 通常、全加工区域を所望の均一性をもって被覆できるように、アーク放電配置と 同様、搬送方向を横切る直線状の広がりを有する。上述の被覆配置においては、 所望の均一性が達成されるように室壁に分散配置された複数の丸いアーク蒸化器 が使用されるのが望ましい。これは、蒸化器の優れた作動性能を分割することが 可能である一方、分布をより適切に制御することが可能であり、ある一定の領域 においては、電源を介して調整することさえ可能である、という利点を有する。 これによって非常に高い加工率、従って高い経済性を達成することができる。こ こで例として、工具、特に形削り工具の加工プロセスを以下に示す。 プロセス例 装置の配位配置は第２図および第３図のそれと同様である。工具はそれ自体の軸 を中心に回転するのではなく、工具保持具がその中央軸の周りを回転することに よって、ただ供給源の側を通過するだけである。ここでは、幅ｂが1000mmであり 、直径Ｄが700mmである被覆区域が形成され、その内部に工具が配置される。装 置室はここでは直径1200mm、高さ1300mmである。 エッチング・パラメータ 低電圧アーク電流 Ｉ_LVA ＝ 200Ａ アーク放電電圧 Ｕ_LVA ＝ 50V アルゴン圧 Ｐ_Ar ＝ 2.0 ｘ 10^-3mbar エッチング電圧 Ｕ_sub ＝ − 200Ｖ エッチング電流 I_sub ＝ 12Ａ エッチング時間 ｔ ＝ 30min エッチング深さ 200nm 被覆： 各アーク蒸化器の電流 Ｉ_ARC ＝ 200Ａ （直径150mmのチタン・ターゲットを有する８個の蒸化器） アーク放電電圧 Ｕ_ARC ＝ 20V 窒素圧 Ｐ_N2 ＝ 1.0 ｘ 10^-2mbar バイアス電圧 Ｕ_Bias ＝ −100Ｖ 被覆時間 ｔ ＝ 45min 層の厚さ TiN ６μm プロセスのサイクル時間は、過熱および冷却を含めて、一工程量の加工につき計 150minである。 工作物における負の加速電圧のための電圧発生装置は通常、300ボルトDCまでの 電圧で作動するが、工作物を保護するために、欠陥を出さずにより優れたエッチ ング率が可能な100から200ボルトの、より低い電圧領域で操作されるのが好まし い。低電圧アーク配置は、工作物から少なくとも10cm距離を置いて操作されねば ならない。しかしながら、この距離は＞15cmであるのが望ましく、その場合好ま しくは、15から25cmであるべきである。これによって、より優れた分布を維持し ながら、高い経済性が得られる。 この発明の被覆装置は特に、ドリル、スライスおよび形削り工具等の工具を加工 するのに適している。従って、保持および搬送装置はこれらの工具を収容するの に適切なように形成される。上述の被覆配置によると、被覆されるべき部分が装 置の中央軸の周りのみを移動しても、通常よい結果を得ることができる。しかし ながら、特に限界に近い状態、すなわち極めて多数の小さな部品をこの装置に収 容する場合、中央軸を中心とする回転の他に、各々この中央軸の周りを回転する さらなる回転軸を導入するという考えも容易に許容される。 次に、例として図面を参照に、この発明概略が説明される。 第１図は、従来技術による低電圧アーク放電を備える被覆配置を示す。 第２図は、低電圧アーク放電のための放電室が周辺部に装着された、この発明に よる被覆配置の実施例の断面図である。 第３図は、第２図の装置の水平断面図である。 第４a図は、同様に、複数の陽極配置がその中に装着された、低電圧アーク放電 のための放電室を備える配置の、部分断面図である。 第４b図は、第４a図と同様の図であるが、ここではそれぞれに配置された陰極室 を有する、分離された陰極および陽極放電路が示される。 第４c図は、第４a図および第４b図と同様の、分離された陰極および陽極放電路 が示された図であるが、陰極が一つの共通陰極室に格納されている。 第５図は、従来技術およびこの発明に従って被覆された工具の、耐用年数比較曲 線を示す。 第１図には、工作物のための周知の被覆配置が示される。真空室が低電圧アーク 放電18を収容するための加工室１を形成し、低電圧アーク放電は、室１の中央に おいてその中央軸16に沿って延びる。室壁の周辺部には、加工室１の外側からマ グネトロン・スパッタ供給源14がフランジを介して接合される。加工室１の上部 側面には陰極室２が配置され、この陰極室は熱電子高温熱陰極３を収容し、ガス 注入口５を介して処理ガス、典型的にはアルゴンのような不活性気体が供給され 得る。しかしながら、反応性プロセスのためには活性ガスもまた混合され得る。 陰極室２は、小さな開口部を備えるオリフィス４を介して加工室１と接続する。 陰極室は通常、絶縁物６を介して加工室１と分離される。オリフィス４は、必要 に応じて浮動電位または補助電位で操作され得るように、さらに絶縁物６を介し て陰極室から分離される。陰極室２とは反対側の側面の中央軸方向16には陽極７ が配置される。陽極７は、低電圧アーク放電によって蒸化され得る蒸化材料を収 容するために坩堝状に形成される。しかしながら、エッチング過程の際にはこの 蒸化手段は利用されず、ただ低電圧アーク放電からイオンが抽出され、工作物に 向けて促進されることによって、工作物にスパッタ・エッチングが施される。低 電圧アーク放電18を作動させるためには、陰極３がヒーター電流供給装置によっ て加熱され、電子を放出する。陰極３と陽極７との間には、アーク放電を作動さ せるためのさらなる電源装置８が設けられる。この電源装置８は通常、陽極７に おいて正の直流電圧を発生させ、低電圧アーク18を維持する。アーク 放電18と加工室１の室壁との間には、工作物を載せる保持具10が装着され、この 装置は、十分なプロセスの均一性を達成し得るように、その垂直中央軸17の周り を回転し得る。さらに、これらの工作物保持具10はさらなる工作物保持配置12に 載置される。この保持配置が工作物保持具10に中央軸16の周りを回転させるよう に、この配置12には回転駆動装置が設けられる。このタイプの装置においてはさ らに、たとえばヘルツホルムコイル・タイプのさらなるコイル13を介して低電圧 アーク放電18を集束することが必要である。ここで、工作物11が低電圧アーク放 電18によって加工され得、かつ、負の電圧を基板に与えることによってイオン衝 撃が生じ、正の基板電圧を与えることによって工作物の電子衝撃が可能であるこ とは、明らかである。工作物にはこのようにして、一方では加熱による電子衝撃 によって、また他方ではスパッタ・エッチングによるイオン衝撃によって、低電 圧アーク放電の助けを得て前処理が施される。続いて、工作物11は坩堝７からの 低電圧アークによる蒸化によって、あるいは電源15によって電力供給されるマグ ネトロン・スパッタ供給源14によるスパッタによって、被覆され得る。上記の配 置においては、基板移動および低電圧アーク放電の配置のための機械的コストが 大きいことが明白である。他方、工作物の配置が中央部の低電圧放電と外側の室 壁の間においてのみ可能なので、自由度が大きく制限される。このような装置は 、特に大きな工作物の場合、または一工程量が多い場合、経済的に作動させるこ とができない。 この発明による好ましい被覆配置の例の断面図が第２図に示される。加工室１は 、加工室１の中央軸16の周りを回転可能なように配置された、工作物11のための 保持具を収容する。室は、通例どおり真空ポンプ19を介して排気され、この真空 ポンプ19が加工プロセスに必要な動作圧力を維持する。提案された配置において は、例えば中央軸16を超えるような大きな工作物11は、この工作物11が加工室壁 に配置された供給源によって加工され得る様に、加工室１内に配置される。基本 的に加工室１の全域を装填に利用可能な区域が占める。したがって、そのような 配置には個々の大きな工作物11だけでなく、基本的に室の全容積を占める、また は利用し得る多数の工作物をも装填することが可能である。 工作物11を中央軸16の周りにおいて回転させる工作物保持具はしたがって、回転 方向を横切る方向において被覆幅ｂを有する。この発明の配置は、一方では大き な被覆幅ｂにわたって、他方では中央軸16から加工幅の周辺部に至る広い深さ領 域、すなわち全直径Ｄにおいて、均一で再現可能な加工結果を達成し得る、とい う点において特に有利である。これらの条件が難しい従来技術による従来の周知 の同心性配置においては、上述の発明による偏心配置がもたらすようなより優れ た結果は望めない。微細な端縁および切断面を有する工具の極めて多彩な幾何学 は、この広い領域において、望ましくない温度負荷および望ましくない電弧の発 生に関しては問題無く、制御可能である。 加工室外壁には、外側から工作物に向けて同様に作用するように、エッチングお よび被覆のための加工供給源が配置される。スパッタ・エッチングの重要な前処 理段階のために、縦方向の広がりが少なくとも加工幅ｂに対応するスリット状の 開口部が室壁に設けられる。この開口部26の後ろにはボックス状に形成された放 電室21があり、この中で低電圧アーク放電18が発生する。この低電圧アーク放電 は基本的に加工幅ｂに平行して延び、加工幅ｂの少なくとも80％にあたるべき有 効長さ１を有する。しかしながら、この放電の長さ１は加工幅ｂに対応するか、 あるいはこれと部分的に重なるのが望ましい。 アーク放電18の軸は、すぐ側の加工区域、すなわちすぐ側の工作物の部分との間 に距離ｄを有するが、この距離は少なくとも10cm、好ましくは15から25cmである べきである。これによって、加工の際に優れた均一性が得られる一方、高いスパ ッタ率が維持される。放電室21の下側部分には陰極室２がフランジによって接合 され、この陰極室２はオリフィス４を介して放電室21と接続する。陰極室２は、 ヒーター電源９によって電力供給される熱陰極３を内包する。この電力供給は交 流または直流で行われ得る。陰極室２には、通常はアルゴンのような不活性ガス である処理ガスを、特定の反応プロセスのためには不活性ガスと活性ガスとの混 合である処理ガスを供給するためのガス注入配置５が、合流する。さ らに、処理ガスはまた加工室１を介しガス注入部22の助けを得て注入され得る。 活性ガスは、ガス注入部22を介して直接加工室１内に注入されるのが望ましい。 放電室21の上部側面には陽極として形成された電極７が設けられる。陽極７が正 極となり、したがって低電圧アーク放電が引き出され得るように、直流電流源８ が陰極３と陽極７との間に接続される。低電圧アーク放電配置と工作物11との間 の電圧発生装置20の助けを得て、負の電圧を工作物保持具または工作物11に与え ることによって、アルゴン・イオンが工作物に促進され、表面がスパッタ・エッ チングされる。これは、300ボルトDCまでの加速電圧によって行われ得るが、工 作物11の慎重な加工を保証するためには、100ボルトから200ボルトの領域の値が 選択されるのが望ましい。加工の均一性は、所望の条件に応じて、加工されるべ き工作物11の加工幅ｂに対する陰極室２と陽極７との配置決めを各々相応に行う ことによって、調整され得る。もう一つの要因は、陽極７の形状である。これは 例えば、皿状、長方形等の平らな形状の電極として形成されるか、あるいは管状 の冷却陽極として形成され得る。 第３図には、第２図による装置の水平断面図が示される。ここでも、加工室１の 外壁に外側に折り返されたボックス状の放電室21が装着されており、スリット状 の開口部26を介して処理区域と接続している。必要に応じて、例えば加工の効果 をさらに高めるために、複数のそのような放電室が装置に配置され得ることは、 自明である。さらに、室壁にフランジによって接合された蒸化供給源23が図示さ れる。蒸化供給源23としては、例えばマグネトロン・スパッタ供給源が用いられ るが、低コストで高い加工速度を維持するためには、いわゆるアーク蒸化供給源 が使用されるのが望ましい。上記の配置の利点は、一方では、複数の供給源を分 散して配置することによって所望の被覆均一性を調整することが可能なように、 他方では、複数の供給源を用いることによって被覆率を高く保てるように、アー ク蒸化供給源23を外側から自由に配置することができる、という点にある。ここ では、個々の長方形の蒸化供給源を使用するのではなく、複数のより小さな丸い 供給源を、要求に応じて装置周辺部に分散して配置するほうが、より 有利であることがわかった。 第４a図には、この発明の配置のもう一つの有利な形態が示される。ここでは、 陰極室２が放電室21の上部側面に配置される。これには、そのような被覆装置に 常に発生する粒子によって放電路の操作が妨げられるのが最小限で済む、という 利点がある。さらに、複数の陽極および陰極電気回路を使用することによって、 放電路を分割し、放電１に沿って強度を調整可能にする方法が示される。主要放 電は、主要陽極７と陰極室２との間の電源８によって発生する。その他の補助放 電は、補助陽極24と補助電源25とによって発生し得る。これによって、陽極７と 陰極室２との間の全放電路における放電出力密度を、その場所および強度に関し て、工作物の求める均一性の条件に適合させることが可能である。 第4b図には、もう一つの調整方法が示される。別々の陽極７、24が利用されるだ けでなく、別々の陰極３、３’および別々の陰極室２、2'が利用されることによ って、陽極および陰極路が互いに完全に分離され、場合によっては絶縁され得る 。もう一つの形態が示された第4c図では、二つの独立した陽極７、24が使用され るが、熱陰極３、3'を備える一つの共通陰極室２が利用される。 第５図には、一方はこの発明に従って処理され（曲線ｂ）、もう一方は従来技術 に従って処理された（曲線ａ）、HSS仕上げ削りスライスのテスト結果が示され る。両方とも、スライスは3.5μm厚のTiNによって被覆された。従来技術による スライス（曲線ａ）には周知のように、あらかじめ高電圧エッチングが施された が、曲線ｂのスライスはこの発明による方法が適用された。テスト条件は以下の とおりである。 HSS仕上げ削りスライス： 直径16 mm 歯の数： ４ テスト材料： 42 CrMo4 (DIN 1.7225) 硬度： HRC 38.5 送り込み： 15mm ｘ 2.5mm 切断速度： 40ｍ/min 各歯の送り： 0.088mm 送り： 280mm/min 耐用期間： 心棒トルク80（任意のユニット） 結果は、この発明に従って処理された工具における耐用年数の改善を明白に示し ている。1.5倍およびそれ以上の改善が容易に達成される。しかしながら、重要 なのは耐用年数の延長だけではなく、耐用年数曲線の終了に向けて上昇するトル クまたは工具の品質劣化度の進行も、より平坦であるという点である。第５図の 例によると、これは15ｍのスライス深さから顕著である。従来技術による曲線ａ は、15ｍのスライス深さで急激に折れ曲がる。これは、従来技術による切断品質 は耐用年数全般にわたってより大きく変化する、すなわちあまり一定していない ことを、意味する。 さらに、この発明による第２図から第４図の装置によると、例えば従来技術によ る第１図の装置に対して、上述の高い品質を保ちながら実質的により多量の処理 が可能となる。ここでは、処理量の倍増は容易であり、３倍、５倍にすることさ え可能である。これによって経済性も劇的に高まる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．排気可能な加工室（１）と、前記室に配置されたプラズマ供給源（18）と、 被覆供給源（23）と、さらに、工作物（11）を位置決めするために、または 工作物（11）に前記供給源の前を通過させるために処理区域（ｂ）を確定す る、中に配置された保持および／または搬送装置とを備える、工作物（11） を処理するための被覆配置にあって、前記供給源は、同じ側から作用するよ うに、工作物から距離を置いて配置される配置であって、プラズマ供給源（ 18）は高温陰極低電圧アーク放電配置として形成され、工作物の搬送方向を 横切るその直線状の広がり（１）は基本的に処理区域の幅（ｂ）に対応し、 さらに、アーク放電（18）と工作物（11）との間において電圧（20）を発生 するための装置が設けられることを特徴とする、被覆配置。 ２．工作物（11）のための保持および搬送装置が加工室（１）の中央軸（16）の 周りを回転可能なように配置され、かつ、供給源（18、23）が、外側から中 央軸（16）の方向に向けて同様に放射状に作用するように室壁に配置される ことを特徴とする、請求項１に記載の配置。 ３．プラズマ供給源が、室（１）の外壁に装着された放電室（21）内に配置され ることを特徴とする配置にあって、低電圧アーク配置（18）を形成するため に、熱電子放出陰極（３）と、それから少なくとも処理区域幅（ｂ）の80％ の距離を置かれた、処理区域幅に沿った陽極（７）とが放電室（21）内に、 またはそれに付設して含まれ、かつ、不活性気体注入配置（５）が放電室（ 21）内に合流することを特徴とする配置にあって、負の極が工作物（11）に あることによって、プラズマ供給源配置（２、７、18、21）がスパッタ・エ ッチングのための装置として形成されるように、陽極−陰極電気回路と工作 物（11）との間に電圧発生装置（20）が接続される、請求項１または２に記 載の配置。 ４．アーク放電（18）に沿ってプラズマ密度の分布を調整するために、放電陰極 （３）と陽極（７）との間に少なくとももう一つの、プラズマ路に沿って距 離を置かれた陽極（24）が配置されることを特徴とする、請求項１から３の いずれかに記載の配置。 ５．陽極（７）ともう一つの陽極（24）とが別々の調整可能な電源（25）と接続 されており、かつ、各陽極（７、25）に対応する陰極（３）が組み込まれ、 この陰極が対応する陽極（７、25）と独立した電源（8、25）と共に調整可 能な独自の電気回路を形成することを特徴とする、請求項１から４のいずれ かに記載の配置。 ６．放出陰極（３）が放電室（21）に対して独立した陰極室（２）内に配置され 、かつ、この陰極室（２）が電子排出のための開口部（４）を介して放電室 （21）と接続していることを特徴とする配置にあって、好ましくは不活性気 体注入配置（５）がこの陰極室（２）内に合流する、請求項１から５のいず れかに記載の配置。 ７．加工室（１）がその中央軸（16）と共に垂直に配置され、かつ、陰極（３） または陰極室（２）が陽極（７、24）の上部に配置され、好ましくは陰極室 （２）の開口部（４）が下方に向けられていることを特徴とする、請求項１ から６のいずれかに記載の配置。 ８．好ましくは少なくとも一つのアーク蒸化器（23）である、少なくとも一つの 被覆供給源（23）が、搬送方向において前方にあるプラズマ供給源（18）の 側の加工室壁に配置されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに 記載の配置。 ９．電圧発生装置（20）が300ボルトDCまでの値、好ましくは100ボルトから200 ボルトに指定されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか に記載の配置。 １０．低電圧アーク配置（18）が工作物（11）から少なくとも10cm、好ましくは 15から25cm距離を置かれていることを特徴とする、請求項１から９のいずれ かに記載の配置。 １１．保持および搬送装置が、特にドリル、スライスおよび形削り工具のための 、工具保持装置として形成されることを特徴とする、請求項１から10のいず れかに記載の配置。 １２．プラズマ密度分布を調整するために、少なくとも一つの磁界発生装置が放 電室（21）内に、またはそれに付設して配置されることを特徴とする、請求 項１から11のいずれかに記載の配置。 １３．処理区域がアーク放電に晒されるように、放電室（21）が処理区域の全幅 （ｂ）にわたって、処理区域に向けて開かれていることを特徴とする、請求 項１から12のいずれかに記載の配置。 １４．室に配置されたプラズマ供給源（18）と、被覆供給源（23）と、さらに、 工作物（11）を位置決めするために、または工作物（11）に前記供給源の前 を通過させるために処理区域（ｂ）を規定する、室（１）内に配置された保 持および／または搬送装置とを備え、前記供給源は同じ側から作用するよう に、工作物（11）に対して距離を置いて配置される、排気可能な加工室（１ ）において、工作物（11）を少なくとも部分的に被覆するための方法であっ て、プラズマ供給源（18）によって高温陰極低電圧アーク（18）が、工作物 の搬送方向を横切るように、基本的に処理区域の幅（ｂ）の少なくとも80％ にわたって発生し、かつ、プラズマから荷電粒子を抽出し基板上に促進する ために、アーク放電と工作物との間に電圧がかけられることを特徴とする、 方法。 １５．供給源（18、23）の前方において、工作物が加工室の中央軸（16）の周り を、好ましくは連続的に回転し、第一段階においては荷電粒子の衝撃による プラズマ処理が行われ、第二段階においては工作物（11）の被覆が行われる ことを特徴とする、請求項14に記載の方法。 １６．荷電粒子が、工作物の負の電圧の助けによってアーク放電（18）から直接 抽出されて工作物（11）にスパッタ・エッチングを施すイオンであることを 特徴とする、請求項14または15のいずれかに記載の方法。 １７．アークの長さ（１）、アークと工作物との間の距離（ｄ）、さらに工作物 に対するアークの位置を選択することによって、ならびに電弧に沿ってプラ ズマ密度の分布を調整することによって、被覆区域（ｂ）におけるエッチン グ分布の均一性が、あらかじめ与えられた値に調節されることを特徴とする 、請求項14から16のいずれかに記載の方法。